刘开辉、王恩哥等在绝缘衬底上晶圆级二维单晶制备新机理研究方向取得进展

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2021年11月15日，松山湖材料实验室/北京大学刘开辉研究员、王恩哥院士团队与合作者，在顶级学术期刊Nature Nanotechnology上发表了题为“Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire”的研究论文，首次提出“双耦合协同调控”的全新生长机理，成功在蓝宝石衬底上实现了2英寸单层单晶二硫化钨（WS2）制备。
       近年来，随着传统硅基芯片制程不断缩小以及集成度不断提高，短沟道效应和热效应日趋显著，现有电子器件的运行速度和性能已接近硅基材料极限。对新型材料及器件的研究探索是解决上述问题的关键所在。二维材料种类丰富，涵盖导体、半导体、绝缘体、磁性材料等电子器件基本构成单元，展现出超快响应速度、高电子迁移率等优异的物理特性和完备的电学功能；同时，其天然具备原子层极限厚度和平面结构，与当代微纳加工工艺相兼容，在诸多候选材料中脱颖而出，有望带来新一代量子材料变革性技术应用。和硅基芯片依赖于晶圆级单晶硅锭制备相似，实现二维材料芯片级应用必须基于大尺寸、高质量的二维单晶制备。然而，由于难以消除非平行晶畴和缺陷晶界，如何在绝缘衬底上外延生长出晶圆级二维过渡金属硫族化物是领域内亟待解决的关键难题。

“双耦合协同调控”实现晶圆级单层单晶WS2生长

         与金属衬底不同，绝缘衬底和二维材料之间的耦合作用非常弱；因此，在绝缘衬底上实现二维晶畴的取向控制异常困难。研究团队经过深入探索，提出二维材料与绝缘衬底面内范德华耦合作用和台阶相互作用的“双耦合协同调控”新机理，实现了2英寸单层单晶WS2的外延制备。“双耦合协同调控”机理的关键物理思想在于：WS2和蓝宝石衬底间的范德华相互作用将WS2晶畴的优势取向限制为0°与180°；WS2和蓝宝石台阶间的相互作用可以打破2个取向的能量简并性，从而使WS2晶畴只保留1个优势取向。课题组研究发现，这种“双耦合协同调控”生长机制也适用于其他二维单晶材料的制备，在a面蓝宝石衬底上同时实现了单晶MoS2、WSe2和MoSe2的外延生长。该成果将有望推动二维过渡金属硫族化物在电子器件、光电子器件以及谷电子学器件等方向的应用。该研究成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划的大力支持。


          文章来源：松山湖实验室
      刘开辉,博士，北京大学物理学院研究员、博士生导师。刘博士本科毕业于北京师范大学物理学系（2004）；博士毕业于中科院物理所（2009）；2009-2014在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究工作；2014年初回北京大学工作；2015年加入北京大学纳米化学中心。刘博士的主要研究方向是：低维纳米材料结构与物理。主要研究手段是：发展单个纳米材料单元水平的透射电镜原位测量技术、超高灵敏度超快纳米光学技术，以研究单个纳米材料的结构和性质的直接对应关系，从而揭露低维凝聚态物理中的新颖规律。目前刘博士把该技术成功应用到一维模型体系的碳纳米管、二维模型体系的原子层MoS2，取得了一些具有影响的科研成果。刘博士发表SCI论文20余篇，其中包括第一作者或者通讯作者的Nature Nanotechnology(2篇), Nature Physics, Nature Communications(2篇), PNAS, JACS, Nano Letters, PRB, APL。
        王恩哥，1957年1月出生于沈阳，籍贯上海，物理学家，中国科学院院士、第三世界科学院院士，北京大学物理学院教授 ，中国科学院物理研究所研究员、学术委员会主任，中国科学院大学Kavli理论科学研究所荣誉所长。1978年王恩哥进入辽宁大学物理系就读，先后获得学士、硕士学位。1985年硕士毕业后留校任教。1987年进入北京大学物理系攻读博士。1990年博士毕业后进入中国科学院物理研究所进行博士后研究。1991年至1995年在法国里尔表面与界面实验室和美国休斯顿大学担任博士后、副研究员。1994年入选首批中国科学院百人计划并进入中国科学院物理研究所工作。1995年获得国家杰出青年基金资助。1996年入选国家百千万人才计划。1999年至2007年任中国科学院物理研究所所长。2004年至2009年任北京凝聚态物理国家实验室主任。2007年当选为中国科学院院士。2008年当选为第三世界科学院院士。2009年至2011年任北京大学研究生院院长、物理学院院长。2011年至2012年任北京大学党委常委、副校长、教务长。2012年至2013年任北京大学党委常委、常务副校长、教务长。2013年至2015年任北京大学党委常委、校长。2015年至2017年任中国科学院副院长、党组成员。2018年9月当选为美国物理学会国际董事 。王恩哥主要从事凝聚态物理研究，在纳米新材料探索及其物性、原子尺度上的表面生长动力学以及受限条件下水的复杂形态等方面做出了有重要影响的工作 。